基于玻璃-铁性体新机制的铁性智能材料的高性能化研究

With the increasing demand of modern industrial technology and defense technology for micro-displacement control system, it becomes more and more urgent to develop the high-performance ferroic smart materials with the properties of large capacity (large strain) and high accuracy (small hysteresis). However, these two physical properties are normally incompatible: large strain accompanied by large hysteresis, small hysteresis accompanied by small strain. Therefore, how to overcome this intrinsic incompatibility of ferroic materials (i.e., ferroics and ferroic glasses) becomes crucial to develop high-performance ferroic smart materials..Here, based on our previous results (Y. Ji, et al, PRL 2005), we try to think outside the box of existing ferroic materials and propose a new idea of glass-ferroics (the third class of ferroic materials) to solve the long-standing strain-hysteresis problem. Firstly, we will study the evolution of phase transitions in doped ferroic materials through varying the point defect concentration, and then establish a detailed temperature vs. defect concentration phase diagram. At the concentration where glass-ferroics may appear, the method of an isothermal aging will be used to produce glass-ferroics. Secondly, we will measure the field-induced strain properties of previously obtained glass-ferroics, and establish the corresponding microstructure-property relationship. Lastly, based on above studies, we will fabricate the high-performance ferroic smart materials with the properties of large strain and small hysteresis.

随着现代产业技术和国防技术对微位移控制系统的要求日益提高，迫切需要开发具有宽范围（大应变）、高精度（窄滞后）的高性能铁性智能材料。然而在现实材料中这两项性能往往是相互矛盾的：大应变伴随着宽滞后，窄滞后伴随着小应变。因此，如何从原理上解决现有铁性材料（铁性体和铁性玻璃）大应变与窄滞后之间的矛盾，成为铁性智能材料领域亟待解决的关键问题。.本项目在前期已取得的研究成果（纪元超等，PRL 2015）基础之上，尝试跳出现有铁性材料的框架，提出基于玻璃-铁性体（第三类铁性材料）这一新思路破解大应变与窄滞后之间的矛盾问题。项目将从点缺陷掺杂出发，研究铁性材料相变的演化，建立详细的温度—缺陷相图，获得能够产生玻璃-铁性体的缺陷浓度，然后采用等温时效的方法制备出玻璃-铁性体。在此基础之上，进一步研究玻璃-铁性体的场致应变性能以及微观组织对场致应变性能的影响，期待获得具有大应变、窄滞后的高性能铁性智能材料。

随着现代产业技术和国防技术对微位移控制系统的要求日益提高，迫切需要开发具有宽范围（大应变）、高精度（窄滞后）的高性能铁性智能材料。然而在现实材料中这两项性能往往是相互矛盾的：大应变伴随着宽滞后，窄滞后伴随着小应变。因此，如何从原理上解决现有铁性材料（铁性体和铁性玻璃）大应变与窄滞后之间的矛盾，成为铁性智能材料领域亟待解决的关键问题。我们将基于铁性玻璃基铁性体复合材料新思路，开展了高性能铁性智能材料研究。通过深入研究缺陷掺杂及铁性材料相变的演化，建立详细的温度缺陷相图，获得能够产生铁性玻璃基铁性体复合材料的缺陷浓度，研究铁性玻璃基铁性体复合材料的场致应变性能以及微观组织对场致应变性能的影响，揭示获得大应变、窄滞后的高性能铁性智能材料的物理机制，取得如下重要进展：.1、通过调控Sn的含量，研究Sn掺杂钛酸钡铋的相变演化，建立了Sn掺杂的钛酸钡铋相图，发现了具有热稳定性、精确度和大输出机电性能的弛豫体基铁电体复合材料Ba0.925Bi0.05Ti0.93Sn0.07O3。其在很宽的温度范围内具有低滞后和大电致应变（即168K的温度范围内滞后小于20％且应变大于0.1％）。结合原位透射电子显微镜观察和介电常数测量揭示了宽温域下弛豫体基铁电体复合材料的微观结构，揭示了场致应变性能以及微观组织对场致应变性能的影响。.2、通过调控成分，研究铌酸钾钠钛酸钡体系的相变演化，建立了铌酸钾钠钛酸钡相图，构建两相共存的准同型弛豫体边界（MRB），从而实现了宽温度范围具有窄滞后、电致伸缩性能增强的新发现。相对于非MRB成分，MRB成分实现了在超过100摄氏度范围内，近1.5倍的介电性能增强以及近3倍的窄滞后电致伸缩效应的增强。.项目研究结果及新发现为突破铁性智能材料的性能瓶颈提供了新途径，为高性能铁性智能材料的研发及应用奠定了重要的理论基础。共发表论文14 篇，其中包括PRL 1篇、NPG Asia Mater. 1 篇、Acta Mater. 2篇。受邀撰写斯普林格（Springer）出版社出版的专著《Frustrated Materials and Ferroic Glasses》撰写章节。授权专利1项。陕西省高等教育教学成果二等奖1项。